与传统的单光子宽场荧光显微镜相比，多光子显微镜(MPM)具有光学切片和深度成像的功能，极大地促进了研究人员对整个大脑深部神经的认识。2019年，JeromeLecoq等从脑深部神经元成像、大数量神经元成像、高速神经元成像三个方面讨论了相关的MPM技术。为了将神经元活动与复杂行为联系起来，通常需要对大脑皮层深处的神经元进行成像，这就要求MPM具备深度成像的能力。激发光和发射光会被生物组织高度散射和吸收，这是限制MPM成像深度的主要因素。虽然增加激光强度可以解决散射问题，但会带来其他问题，如烧焦样品、散焦和近表面荧光激发。增加MPM成像深度的比较好方法是使用更长的波长作为激发光。另外，对于双光子（2P）成像而言，离焦和近表面荧光激发是两个比较大的深度限制因素，而对于三光子（3P）成像这两个问题大大减小，但是三光子成像由于荧光团的吸收截面比2P要小得多，所以需要更高数量级的脉冲能量才能获得与2P激发的相同强度的荧光信号。 多光子显微镜已经被生物学家普遍的运用于实验中。美国离体多光子显微镜配置
对于双光子（2P）成像而言，离焦和近表面荧光激发是两个比较大的深度限制因素，而对于三光子（3P）成像这两个问题大大减小，但是三光子成像由于荧光团的吸收截面比2P要小得多，所以需要更高数量级的脉冲能量才能获得与2P激发的相同强度的荧光信号。功能性3P显微镜比结构性3P显微镜的要求更高，它需要更快速的扫描，以便及时采样神经元活动；需要更高的脉冲能量，以便在每个像素停留时间内收集足够的信号。复杂的行为通常涉及到大型的大脑神经网络，该网络既具有局部的连接又具有远程的连接。要想将神经元活动与行为联系起来，需要同时监控非常庞大且分布普遍的神经元的活动，大脑中的神经网络会在几十毫秒内处理传入的刺激，要想了解这种快速的神经元动力学，就需要MPM具备对神经元进行快速成像的能力。快速MPM方法可分为单束扫描技术和多束扫描技术。美国清醒动物多光子显微镜方案多光子显微镜技术是对完整组织进行深层荧光成像的优先技术。
多束扫描技术可以同时对神经元组织的不同位置进行成像该技术：对两个远距离（相距大于1-2 mm）的成像部位，通常使用两条单独的路径进行成像；对于相邻区域，通常使用单个物镜的多光束进行成像。多光束扫描技术必须特别注意激发光束之间的串扰问题，这个问题可以通过事后光源分离方法或时空复用方法来解决。事后光源分离方法指的是用算法来分离光束消除串扰；时空复用方法指的是同时使用多个激发光束，每个光束的脉冲在时间上延迟，这样就可以暂时分离被不同光束激发的单个荧光信号。引入越多路光束就可以对越多的神经元进行成像，但是多路光束会导致荧光衰减时间的重叠增加，从而限制了区分信号源的能力；并且多路复用对电子设备的工作速率有很高的要求；大量的光束也需要更高的激光功率来维持近似单光束的信噪比，这会容易导致组织损伤。
通过添加FACED模块，可以将基于标准振镜的现有2PM轻松转换为千赫兹成像系统。FACED双光子荧光显微镜遵循光栅扫描，需要很少的计算处理，在稀疏或密集的标记样本中均可以使用，并且不受串扰的影响，而且对整个图像平面采样后可以进行运动校正。实验中没有观察到光损伤的迹象，此外，子脉冲延迟到达相同的样品位置，能为荧光团提供充足的时间使其从易于破坏的暗态返回到基态，可以明显减少光漂白。使用现有的传感器，FACED双光子荧光显微镜可以提供足够的速度和灵敏度来检测神经元过程中的钙瞬变和谷氨酸瞬变，以及来自细胞体的尖峰和亚阈值电压。该组使用基于FACED的2PM显微镜，在小鼠大脑中实现了千赫兹速率的神经活动成像。在物镜平均激光功率为10-85mW下，他们测量了清醒小鼠中V1神经元的自发性和感觉诱发性的超阈值和亚阈值电位活动。多光子成像是一种非线性的过程，信号产生要求功率密度达到MW/cm2的量级。
多光子激发在紫外成像的优势在可见光脉冲中能得到紫外衍射的显微观察像。即使不使用紫外域光源、光学元件用可见光源、光学元件就能得到紫外光激励的高空间分辨率图像。多光子在生物成像中的优势在生物显微镜观察方面，较早考虑的是不损坏生物本身的活性状态，维持水分、离子浓度、氧和养分的流通。在光观察场合，无论是热还是光子能量方面都必须停留在细胞不受损伤的照射量、光能量内。多光子显微镜则能够满足此，而且还具有很多优点。如三维分辨率、深度侵入、在散射效率、背景光、信噪比、控制等方面，均有以往激光显微镜不具备，或具有无法比拟的超越特性。多光子显微镜是衡量一个国家制造业和高科技发展水平的重要标准之一。共聚焦多光子显微镜成像深度
显微镜简史：从光到多光子显微镜。美国离体多光子显微镜配置
单光子激发荧光的过程，就是荧光分子吸收一个光子，从基态跃迁到激发态，跃迁以后，能量较大的激发态分子，通过内转换把部分能量转移给周围的分子，自己回到比较低电子激发态的比较低振动能级。处于比较低电子激发态的比较低振动能级的分子的平均寿命大约在 10s 左右。这时它不是通过内转换的方式来消耗能量，回到基态，而是通过发射出相应的光量子来释放能量，回到基态的各个不同的振动能级时，就发射荧光。因为在发射荧光以前已经有一部分能量被消耗，所以发射的荧光的能量要比吸收的能量小，也就是荧光的特征波长要比吸收的特征波长来的长。美国离体多光子显微镜配置
